Міжпредметна та міжгалузева інтеграція при складанні завдань хіміко-екологічного змісту

Автор: Хоруженко Лідія Миколаївна

Навчальний заклад: Богодухівський навчально-виховний комплекс “Дошкільний навчальний заклад-загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів” Чорнобаївської селищної ради Черкаської області

Міжпредметна та міжгалузева інтеграція при складанні завдань хіміко-екологічного змісту

У XXI столітті предмети не можуть вивчатися відірвано від реальності, а шкільний урок  існувати сам собою. Тож на допомогу педагогам та школярам приходить інтегроване навчання – світова практика, залучена до освітнього процесу завдяки реформі «Нова українська школа». 

Для вирішення проблеми якості шкільної природничої освіти потрібно позбутися  розбалансованості змісту освіти шляхом розроблення навчальних програм з природничих предметів, які б узгоджувалися між собою та утворювали цілісну освітню галузь. Реалії сьогодення вимагають ґрунтовних знань у галузі природничих наук не тільки від спеціалістів, а й від пересічних громадян. Постійно зростає соціальний  запит на науково-природничі знання.

Методологічною основою для створення умов, які б забезпечили розвиток конкурентно спроможної особистості, яка б мала цілісний науковий світогляд, сформовані компетентності у галузі природничих наук може виступати інтегрований підхід. (Термін «інтеграція» походить від латинського integralis — цілісний, єдиний, неподільний, integratio — поповнення, відновлення.) [2,3]

Забруднення довкілля в першу чергу викликане  практичною відсутністю безвідходних виробництв, недосконалістю очисних споруд, не раціональним використанням природних ресурсів.

Екологізація природничої освітньої галузі передбачає не тільки між предметну, а  й міжгалузеву інтеграцію. Ефективність міжпредметної інтеграції при складанні завдань хіміко-екологічного змісту буде забезпечена тільки в тому випадку, коли будуть правильно розставлені орієнтири і важливість кожної з дисциплін, які інтегруються. Головна ціль завдань не проінформувати про негативний вплив антропогенного фактору на довкілля, а поставити такі проблеми і завдання, які учні зможуть розв’язати. Без сумніву при складанні завдань екологічного змісту будуть використані знання з різних дисциплін, проте ядром завдання виступатимуть знання з хімії, бо саме завдяки умілому застосуванню цих знань учні можуть запропонувати реальні шляхи вирішення тієї чи іншої екологічної проблеми.

Розв’язання завдань  хіміко-екологічного змісту – один із шляхів формування екологічної культури.

Такі завдання розраховані на комплексне використання матеріалу різних галузей (хімії, біології, екології, фізики, географії, медицини). Таким чином завдання інтеграції полягає не тільки в оволодінні здобувачами освіти певною цілісною сукупністю знань, а й у виробленні необхідності адекватного і бережливого ставлення до природи, в можливості самостійно вирішувати проблеми в реальних екстремальних умовах. [4,6]

Хіміко-екологічні завдання – це завдання, які передбачають зв’язок певного хімічного явища з екологією.

Це можуть бути:

• теоретичні завдання проблемного характеру;
• тестові завдання;
• розрахункові задачі;
• експериментальні задачі.

На початковому етапі пізнавальні завдання обов’язково повинні опиратись на набуті знання і досвід та мати ілюстративний характер, пізніше слід віддавати перевагу інтегрованим завданням проблему характеру.

         Хімічні задачі екологічного змісту поділяють на такі види:

  – задачі, які розкривають подвійну роль хімії;

  – задачі, в яких розглядається недосконалість промислових технологій;

  – задачі, які відображають вплив хімічних речовин на живі організми;

  – задачі, в яких розглядаються шляхи подолання екологічних проблем.

При підготовці таких завдань необхідно дотримуватись наступних вимог та рекомендацій:

• зміст завдання повинен відповідати чинним програмним вимогам шкільного курсу хімії;
• відображати реальний стан екологічних проблем;
• відображати шляхи розв’язання проблеми із використанням хімічних

методів;

• містити фактичну довідкову інформацію;
• формувати пізнавальний інтерес до розв’язання екологічних проблем;
• бути значущими  для здобувачів освіти.

       При складанні розрахункових  та експериментальних задач слід врахувати, що вони повинні бути насамперед сюжетними і не тільки містити інформацію екологічного характеру, а й передбачати розрахунки, складання рівнянь хімічних реакцій у межах програми шкільного курсу хімії. Це дасть можливість  використовувати задачі як  під час вивчення нового матеріалу, так і на етапі осмислення вивченого та підготовці домашніх завдань. Таким чином учень стає безпосередньо причетним до проблем захисту довкілля і має змогу використати набуті знання в реально можливих умовах. [7]

Розрахункові задачі

• Тип задачі: Обчислення відносної молекулярної маси речовини за її формулою.

Задача

Верхній шар атмосфери утворений озоновим шаром. Озоновий шар утворився на висоті 20-24 км внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового проміння і утворення речовини О3. 16 вересня 1995 року проголошено міжнародним днем охорони озонового шару. Озоновий шар являє собою певного роду фільтр, який затримує ультрафіолетове і електромагнітне випромінювання Сонця. Але останнім часом спостерігається руйнування цілісності озонового шару і утворюються озонові дірки. Обчисліть у скільки разів відносна молекулярна маса озону більша від відносної молекулярної маси кисню.

• Тип задачі: Обчислення масової частки елемента в складній речовині.

Задача

Природний газ без запаху, не отруйний, але  пожежо-вибухонебезпечний. При несправності або не достатній герметичності газового обладнання можливий витік газу, що спричинить пожежну небезпеку. Для виявлення витоку газу в приміщенні до нього додають сильно пахнучу речовину етилмеркаптан C2H5SH. По наявності неприємного запаху і виявляють витік газу. Визначте масову частку сульфуру в даній речовині.

• Тип задачі: Обчислення маси елемента в складній речовині за його масовою часткою.

Задача №1

Однією з рентгеноконтрастних речовин є барій сульфат. Ця речовина використовується при рентгеноскопічному дослідженні травного тракту. Барій сульфат обволочує слизову оболонку і сприяє чіткому зображенню мікрорельєфу  слизової оболонки. Ця сполука здатна затримувати  рентгенівські промені. Коли рентгенівські промені проходять через орган в місцях накопичення препарату, підвищується  контрастність зображення. Яка маса барію міститься в 100 г цієї речовини, якщо масова частка Барію в сполуці становить 58,7%.

Задача № 2

          Світове виробництво сульфатної кислоти становить близько 189 млн тонн  на рік. До 60% кислоти використовується під час виробництва мінеральних добрив, 20% – для виробництва барвників, інсектицидів, миючих засобів. Основною сировиною для виробництва сульфатної кислоти є пірит FeS_2. Побічним продуктом цього хімічного процесу є піритні огарки, які містять до 40% заліза. Скільки заліза можна добути переробляючи 1 тонну піритних огарків?

• Тип задачі: Обчислення масової частки, маси розчиненої речовини, маси і об’єму  води в розчині.

Задача № 1

Мідний купорос – фунгіцид широкого спектру дії. Застосовується для боротьби із захворюваннями рослин, в тому числі і грибковими, як овочевих так і плодових культур. Оптимальна кратність обробок препаратом – 4 рази на рік. Витрата робочого розчину на одну рослину  залежить від її віку . Для 1-3 річного дерева треба використати 2 л  0,75% розчину. Яку масу мідного купоросу треба витратити, щоб протягом року обробляти два абрикоси і два персики?

Задача №2

Коксохімічне виробництво має цехи сіркоочистки, обладнані електрофільтрами. Проте повністю очистити вихідні гази не вдається і в повітря потрапляє сірководень з розрахунку 0,14 мг/м³. Якою буде концентрація сірководневої кислоти, якщо повністю вилучити сірководень із 5 м³ повітря  і розчинити його в 1 л води.

Задача № 3

         До 90% викидів у атмосферу здійснюється підприємствами металургії, енергетики, вуглевидобутку та коксохімічним виробництвом. В результаті коксування утворюється кокс, який використовується як паливо в металургійній промисловості, і коксовий газ, який містить  сірководень і аміак. Скільки 40% нітратної кислоти необхідно використати, щоб знезаразити вловлений фільтрами амоніак, об’ємом 1м³ ?

• Тип задачі: Обчислення молярної маси речовини.

Задача

Металургійне виробництво породжує навколо себе техногенні області, в поверхні яких знайдено доволі солідний перелік шкідливих речовин. При цьому чорна металургія для власних потреб потребує великої кількості води. Для виробництва 1 тонни сталі витрачається 180 м³ води. Обчисліть молярну масу води.  У чому відмінність між молярною і відносно молекулярною масою.

• Тип задачі: Обчислення числа частинок (атомів, молекул, йонів) у певній кількості речовини, масі, об’ємі.

Задача

У радіусі 3 км біля хімічного заводу відчувається запах гідроген сульфіду. Взято пробу повітря і одержані результати свідчать, що газ є в повітрі на висоті до 2 км, при цьому його концентрація становить 0,01 мл/л. Який об’єм гідроген сульфіду необхідно вилучити з повітря? Скільки молекул міститься в даному  об’ємі гідроген сульфіду?

• Тип задачі:. Обчислення за хімічною формулою маси даної кількості речовини і кількості речовини за відомою масою.

Задача

Уявіть, що ви поїхали відпочивати на вихідні у село і не зовсім щільно закрили кран на кухні. Кожну хвилину з крана капає 60 крапель води. Підраховано, що 100 крапель мають масу 7 г. Скільки літрів води витече за дві доби? Скільки моль речовини міститься в даній порції води? Яких економічних збитків це принесе вашій родині? Зробіть розрахунки відповідно до тарифних платежів за  холодну воду у вашому регіоні.

• Тип задачі: Обчислення об’єму певної маси або кількості речовини відомого газу за нормальних умов.

Задача № 1

Один гектар соснового лісу за рік поглинає 9,3 т вуглекислого газу і виділяє 7,2 т кисню. Це забезпечить нормальне функціонування процесів дихання 200 дорослих осіб. Який розмір лісу в сотках забезпечить киснем учнів вашого класу? Який об’єм кисню для цього необхідний?

Задача №2

Для 1 автомобіля  для згорання 1 кг бензину необхідно 2,5 л кисню. Припустимо, що автомобіліст приїжджає за рік 10000км і витрачає 1000 кг бензину.  При цьому він споживає 2,5 тисячі літрів  кисню.  Скільком кілограмам відповідатиме цей об’єм? Як це позначиться на кисневому балансі?

• Тип задачі: Обчислення з використанням відносної густини газів.

Задача № 1

Останнім часом викиди в повітря вуглекислого газу від спалювання нафти, вугілля, природного газу значно перевищують показники, які могли б спожити рослини. При цьому рівень вуглекислого газу взимку значно вищий, ніж влітку.  Якщо 1 гектар лісу поглинає щорічно до 10 тонн вуглекислого газу, то скільки треба посадити гектарів молодого лісу, щоб загазованість знизилась у 2 рази? Запишіть рівняння реакцій горіння компонентів нафти. Яка відносна

 густина вуглекислого газу за повітрям? Чому вміст вуглекислого газу в повітрі взимку вищий, ніж влітку?

• Тип задачі: Розрахунки за хімічними рівняннями маси, об’єму, кількості речовини реагентів та продуктів реакцій.

Задача № 1

Одним з відходів коксохімічного виробництва є амоніак. Це отруйний, вибухонебезпечний газ, особливо небезпечний для очей. При переробці 10 тонн вугілля в атмосферу викидається до 0,3 кг амоніаку. Скільки треба витратити амоніаку, щоб добути 1 кг амоніачної селітри?

Задача № 2

Одним із способів поглинання сульфур (IV) оксид є пропускання диму через розчин амоніаку. Яка речовина і в якій кількості утвориться, якщо пропустили 10 м³ диму, в якому вміст  SO2 становив 0,2 мг/м³ .
Задача № 3

Водень називають паливом XXI століття. Це екологічно чисте паливо, бо при його згоранні утворюється абсолютно безпечна для довкілля речовина – вода. Це реакція екзотермічна, до того ж з розрахунку на одиницю маси теплоти виділяється у 2,5 рази більше, ніж при згоранні метану. Обчисліть об’єм води, який утвориться при спалюванні 100 л водню.

Задача №4

Нагромадження вуглекислого газу в атмосфері призводить до парникового ефекту. Який об’єм СО₂ потрапляє в атмосферу при спалюванні 100 шт. поліетиленових пакетів масою 100 г?

• Тип задачі: Розв’язування задач за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини.

Задача

Одним із відходів коксохімічного виробництва є нітроген (IV) оксид,  вміст якого у вихідних газах становить 0,9 мг/м³. Це отруйний газ, подразнюючи органи дихання викликає кашель. При сполученні з вологою слизових оболонок утворюється нітратна кислота, яка викликає набряк легень.  Яку масу 60% нітратної кислоти можна одержати, якщо вважати, що повністю очистили 1000 м³забрудненого повітря?

• Тип задачі: Обчислення об’ємних відношень газів за хімічними рівняннями.

Задача

Ацетилен використовують при зварюванні та різанні металів. Суміші ацетилену з повітрям або киснем вибухонебезпечні.  Якщо підпалити суміш із 100 л ацетилену і 100л кисню, чи обидва гази  витратяться повністю. Якщо ні, то який газ взято в надлишку?

• Тип задачі: Виведення молекулярної формули речовини за масовими частками елементів.

Задача

Один автомобіль за рік споживає у 50 разів кисню більше ніж одна доросла людина. Проте із вихлопними газами один автомобіль за рік викидає у повітря  40 кг отруйної речовини. В якій вміст Оксигену становить 57%, а Карбону 43%. Визначте формулу цієї речовини.

• Тип задачі: Виведення молекулярної формули речовини за загальною формулою гомологічного ряду та густиною або відносною густиною.

Задача

При спалюванні бензину в повітря потрапляє велика кількість вуглекислого газу. До складу бензину входять алкани з кількістю атомів Карбону від 5 до 22. Яка хімічна формула алкану, якщо відносна густина його за воднем становить 31? Напишіть рівняння реакції горіння цього вуглеводню.

• Тип задачі: Виведення молекулярної формули речовини за масою, об’ємом або кількістю речовини реагентів або продуктів реакції.

Задача

Ця речовина газоподібна і є основною складовою природного газу. Цей газ міститься у кам’яновугільних пластах, під час розробки яких можуть утворюватися вибухонебезпечні суміші. Під час згоряння 9,6 г цієї органічної речовини утворюється 6,72 л вуглекислого газу і 10,8 г води. Молярна маса цієї речовини чисельно дорівнює молярній масі кисню. Визначте молекулярну формулу речовини.

• Тип задачі: Обчислення за хімічними рівняннями кількості речовини, маси або об’єму за кількістю речовини, масою або об’ємом реагенту, що містить певну частку домішок.

Задача

В промисловості сульфатну кислоту шляхом випалювання  піриту. При цьому в атмосферу потрапляє велика кількість шкідливих речовин. Який об’єм сульфур(IV) оксиду можна добути із 300 кг піриту, якщо мінерал містить 20% домішок?

• Тип задачі: Обчислення за хімічними рівняннями відносного виходу продукту реакції.

Задача №1

Коксохімічне виробництво супроводжується викидами сірчистого ангідриду (сульфур (IV) оксиду) а атмосферу. При переробці 1 тонни вугілля виділяється близько 0,75 кг сірчистого ангідриду. Яку масу сульфатної кислоти можна добути, якщо переробці піддавалося 50 тонн вугілля, а вихід сульфатної кислоти від теоретично можливого становить 70%. 

• Тип задачі: Обчислення кількості речовини, маси або об’єму продукту за рівнянням хімічної реакції, якщо один із реагентів взято в надлишку.

Задача №2 

Фенол дуже токсичний, викликає головний біль, прискорене серцебиття, ураження печінки та нирок.  Гранично допустима концентрація фенолу у водоймі становить 0,001 мг/л. У скільки разів цей показник буде перевищувати норму, якщо в результаті виходу з ладу очисних споруд коксохімічного комбінату у водойму  разом зі стічними водами потрапить 50 кг фенолу. Орієнтовно об’єм води у водоймі становить 10⁵ м³. Яка маса білого осаду утвориться, якщо в реакцію з 40 г фенолу вступає 50г брому? [7]

Експериментальні задачі

Задача №1

Однією з речовин, що входить до складу вихідних газів коксохімічного виробництва  сульфур (IV) оксид. Які хімічні реакції можна провести, щоб довести як окисні, так івідновні властивості Сульфуру у цій сполуці.

Задача №2

Введення в дію очисних споруд на підприємствах чорної та кольорової металургії значно зменшили викиди сірчистого газу в атмосферу. Вміст газу у викидах дуже не значний. Для очищення  димових газів від цього оксиду використовують пропускання димових газів через водну суспензію магній сульфіту. Складіть рівняння хімічної реакції, вкажіть, яка з речовин буде відновником, а яка окисником.

Задача № 3

Відомо, що в аварійному стані із бункера може витекти нафта. 1 тонна нафти займає площу 6 км². На якій площі водної поверхні живі організми будуть в небезпеці, якщо з танкера витече 10 тонн нафти. Яка площа найбільшої водойми у вашому регіоні і який % від загальної площі водойми перебуватиме в небезпеці? Які сполуки входять до складу нафти? Які хімічні процеси лежать в основі перегонки нафти?

Задача №4

Питання переробки вторинної сировини  стає особливо актуальним. Відомо, що зібрані 20 кг макулатури зберігають 1 доросле дерево. Деревина складається на 50% з целюлози. Яка речовина утвориться в результаті гідролізу целюлози? Напишіть рівняння реакції.

  Задача № 5

Сірководень — безбарвний газ і з запахом тухлих яєць, дуже отруйний. Навіть концентрація 0,1% в повітрі вже викликає отруєння. Потрапляючи в організм людини він вступає в реакцію з гемоглобіном і при цьому утворюється малорозчинна речовина ферум(ІІ) сульфіду. Запишіть йонне рівняння, що характеризує цей процес.

Задача № 6

На бензині сьогодні працює 75% автомобілів. Кожен легковий автомобіль, який пройшов 20 тисяч км витрачає від 6 до 10 л бензину на 1 кілометр. При цьому автомобілем споживається кисню більше ніж виділяється вуглекислого газу. Запишіть рівняння реакції згорання вуглеводнів, які входять до складу бензину.

Задача № 7

На ТЕС для добування електроенергії щогодини спалюється 1 т вугілля. Вміст сірки у вугіллі становить 2 %. Який (крім вуглекислого) газ утворюється при спалюванні вугілля із вмістом сірки. Як він впливає на довкілля. Запишіть рівняння реакції. [5, 7]

Теоретичні завдання проблемного характеру

Для виробництва електроенергії спалюються нафта, природній газ і вугілля, при цьому вміст карбон(IV) оксиду в атмосфері зростає, що є однією з причин парникового ефекту. Встановлено, що флуоресцентні електрозберігаючі лампи споживають у 5 разів електроенергії менше, ніж звичайні. При цьому вони дають такий же рівень освітлення і їхній термін використання у 10 разів більший.  Як мінімізувати внесок вашої родини  у парниковий ефект та енергетичну кризу Землі. Запропонуйте шляхи  подолання парникового ефекту.

Природній парниковий ефект утримується завдяки динамічній рівновазі між викидами парникових газів і утриманням їх поглиначами. Найбільшими поглиначами є океан і наземна біомаса. Доля вуглекислого газу в парникових газах становить до 70%. Факт підвищення природного парникового ефекту на кілька градусів відбувався не без втручання людини. Питання глобального потепління сьогодні звучить особливо актуально. Як вплине на цю ситуацію насадження лісів та максимальне припинення їх вирубки.

Підприємства паливно-енергетичного комплексу, транспорт та хімічне виробництво  виступають головними забруднювачами повітря. У процентному співвідношенні це виглядає так: 80% припадає на оксиди Карбону, Нітрогену, сполуки Сульфуру, а також вуглеводні.  В атмосферу крім газоподібниз сполук надходять  і тверді речовини у вигляді пилу, кіптяви, сажі, які збагачуються у повітрі важкими металами. Особливу небезпеку представляє азбестовий пил. Як впливає рівень забруднення повітря на здоров’я людини і на біосферу в цілому? Які погодні умови є оптимальними для чистоти повітря? Запропонуйте способи утилізації відходів виробництва.

Основна частина води припадає на морську воду і тільки 3% становить прісна вода. Кожна людина потребує для пиття 2-4 л води на добу та для задоволення інших потреб 100-200 л. Із зростанням кількості населення та економічним розвитком з кожним роком відчутнішою є  потреба у воді. Від дефіциту води на планеті щорічно страждає 400 млн людей. Запропонуйте шляхо економії питної води та води побутового призначення. Який об’єм води за місяць може заощадить ваша родина при економному її використанні?

До складу паливно-енергетичних ресурсів Украни входять кам’яне та буре вугілля, природний газ, нафта, торф. Проте їх видобуток не задовольняє повністю потреби держави.   Для подолання   енергетичної кризи необхідно збільшувати відсоток альтернативних джерел енергії. Як можна використати енергію вітру і Сонця? Запропонуйте нетрадиційні види енергоресурсів. Чим представлені  вони у вашій місцевості?    

Останнім часом проблемі переробки вторинної сировини надається все більше уваги. У рейтингу серед усіх побутових відходів папір займає перше місце. У світ щорічно переробляється до 35% паперу, в той час як у Японії та Нідерландах до 50%. Кожна перероблена тонна паперу зберігає до 20 дерев середнього віку, до 30 тисяч води та 4 тисяч кіловат електроенергії. На виробництво паперу із макулатури йде на 80% води і 60% електроенергії менше, ніж на виробництво паперу із деревини. Дайте характеристику обсягам споживання паперу вашою родино. Запропонуйте шляхи економного використання паперу. Назвіть скільки кілограмів макулатури ви можете щорічно здавати на переробку. Яка роль ресайклінгу  паперу для збереження енергетичних запасів біосфери? Які екологічні проблеми можуть виникнути при виробництві паперу? Запропонуйте шляхи їх розв’язання.

Останнім часом виробництво пластику та предметів широкого вжитку із пластику заполонило промисловий ринок. Від початку масового виробництва у 50-х роках минулого століття і до сьогодні вироблено 8,3 млрд метричних тонн. 

І попит на пластик продовжує зростати. Проте таке хімічне виробництво і подальше спалювання пластикових відходів привело до різкого збільшення викидів вуглекислого газу в повітря, що становить астрономічні цифри до 400 мільйонів тонн CO2 на рік. Обгрунтуйте економічну вигоду переробки пластику та можливість зменшення видобутку викопного палива для цих цілей. Як впровадження таких технологій вплине на вміст карбон(IV) оксиду в повітрі?

Для виплавлення сталі використовують металобрухт як вторинну сировину. При цьому витрачається енергії у 10 разів менше ніж при переробці залізної руди. Відповідно і шкідливих викидів у повітря при виробництві електроенергії буде у 10 разів менше. Як налагоджена справа по прийманню металобрухту у вашому населеному пункті? Яка економічна вигода для держави в цій галузі від використання вторинної сировини? [1 с.15, 7]